JP2017072244A - 高圧タンク - Google Patents

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Abstract

【課題】補強層および保護層を備える高圧タンクにおいて、同一の樹脂を、補強層および保護層に用いる場合がある。このような高圧タンクでは、樹脂の硬化時に発生する泡がタンク表面に残存するおそれがある。また、高圧タンクの使用時にタンク表面に白濁が発生するおそれがある。
【解決手段】高圧タンクであって、ライナと、ライナ上に熱硬化性の第１の樹脂と繊維とを含んで形成されている補強層と、前記補強層上に熱硬化性の第２の樹脂を含んで形成されている保護層と、を備え、第２の樹脂のゲル化温度である第２のゲル化温度は、第１の樹脂のゲル化温度である第１のゲル化温度より高く、第１のゲル化温度において、第２の樹脂の粘度は、第１の樹脂の粘度より低い。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクに関する。
水素ガス等の流体が高圧で充填される高圧タンクとして、ライナと、ライナの表面に形成されている炭素繊維などの繊維強化樹脂製の補強層と、補強層の表面に形成されているガラス繊維などの繊維強化樹脂製の保護層を備える高圧タンクが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−９０９３８号公報
上記のように補強層および保護層を備える高圧タンクにおいて、タンク強度を確保するために、伸びや靱性の高い同一の樹脂を、補強層および保護層に用いる場合がある。このような高圧タンクでは、樹脂の硬化時に樹脂に内在するガスがタンク表面に泡として残存するおそれがある。また、高圧タンクの使用時にタンク表面に白濁が発生するおそれがある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、ライナと、前記ライナ上に熱硬化性の第１の樹脂と繊維とを含んで形成されている補強層と、前記補強層上に熱硬化性の第２の樹脂を含んで形成されている保護層と、を備え、前記第２の樹脂のゲル化温度である第２のゲル化温度は、前記第１の樹脂のゲル化温度である第１のゲル化温度より高く、前記第１のゲル化温度において、前記第２の樹脂の粘度は、前記第１の樹脂の粘度より低い。
ここで、保護層は、第２の樹脂のみ（添加剤を含んでもよい）で形成されてもよいし、第２の樹脂と繊維との複合材（いわゆる繊維強化樹脂）で形成されてもよい。
この形態の高圧タンクでは、保護層を形成する熱硬化性樹脂のゲル化温度が補強層を形成する熱硬化性樹脂のゲル化温度より高いため、保護層と補強層とを同時に加熱により硬化させる場合に、保護層の硬化が補強層の硬化よりも遅い。また、補強層に含まれる樹脂のゲル化点における粘度が、保護層の方が低い。そのため、補強層の硬化過程において樹脂の内部に残存するガスが保護層から外部に排出される。その結果、硬化完了までに多くのガスを排出できるので、高圧タンクの表面の泡の残存を抑制することができ、表面性状を向上させることができる。
（２）上記形態の高圧タンクにおいて、前記高圧タンクは、略円筒状を成す円筒部を備え、前記第１の樹脂の破断ひずみは、前記高圧タンクの所定の耐圧試験における前記高圧タンクの前記円筒部の中心軸に平行な方向に発生する引張ひずみである基準ひずみより大きく、前記第２の樹脂の破断ひずみは、前記基準ひずみより小さくてもよい。このようにすると、高圧タンクの出荷前に、所定の耐圧試験を行うことにより、保護層に微小なクラックを発生させることができる。その結果、高圧タンクの使用時に、高圧タンク内のガスが、ライナおよび補強層を透過した際に、保護層の微小なクラックを介して、透過ガスを高圧タンク外に排出することができるため、高圧タンク表面の白濁を抑制することができる。
（３）上記形態の高圧タンクにおいて、前記補強層の繊維は、炭素繊維でもよい。換言すると、補強層は、炭素繊維と第１の樹脂との複合材である炭素繊維強化樹脂製でもよい。このようにすると、耐圧性の高い高圧タンクを構成することができる。
（４）上記形態の高圧タンクにおいて、前記保護層は、ガラス繊維、またはアラミド繊維を含んでもよい。換言すると、保護層は、ガラス繊維またはアラミド繊維と第２の樹脂との複合材である繊維強化樹脂製でもよい。このようにすると、外部からの衝撃に強い高圧タンクを構成することができる。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、高圧タンクを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての高圧タンクの概略構成を示す断面図である。 第１の樹脂および第２の樹脂の温度−粘度特性を示す図である。 比較例の高圧タンクにおける白濁の生成を概念的に説明する説明図である。 本実施形態の高圧タンクにおける白濁の抑制を概念的に示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．高圧タンクの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての高圧タンクの概略構成を示す断面図である。本実施形態において、高圧タンク１００は、例えば、圧縮水素が充填されるためのものである。高圧タンク１００は、例えば、燃料電池に水素を供給するために、燃料電池車に搭載される。なお、高圧タンク１００は、燃料電池車に限らず、電気自動車、ハイブリッド自動車等の他の車両に搭載されてもよいし、船舶、飛行機、ロボット等の他の移動体に搭載されてもよい。また、住宅、ビル等の定置設備に備えられてもよい。
高圧タンク１００は、略円筒形状を成す円筒部１０２と、その両端に一体的に設けられた略半球状のドーム部１０４とを有する中空容器である。図１では、円筒部１０２とドーム部１０４との境界を、破線で示している。高圧タンク１００は、ライナ１０と、補強層２０と、保護層２５と、口金３０と、口金４０と、を備える。以下、口金３０および口金４０が取付けられたライナ１０を、「タンク本体」とも称する。
ライナ１０は、ナイロン樹脂から成り、内部空間に充填された水素等が外部に漏れないように遮断する性質（いわゆるガスバリア性）を有する。ライナ１０は、ポリエチレン系樹脂等のガスバリア性を有する他の合成樹脂や、ステンレス鋼等の金属を用いて作製されてもよい。
補強層２０は、タンク本体の外表面を覆うように形成されている。詳しくは、補強層２０は、ライナ１０の外表面全体と、口金３０，４０の一部を覆うように形成されている。
補強層２０は、熱硬化性の第１の樹脂と炭素繊維との複合材料である炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）から成り、耐圧性を有する。本実施形態では、第１の樹脂として、アミン系または無水物系の硬化促進剤、及び、ゴム系の強化剤を有したエポキシ樹脂を用いている。第１の樹脂は、エポキシ樹脂に限定されず、不飽和ポリエステル樹脂等、他の熱硬化性樹脂を用いてもよい。第１の樹脂の性質（性能）については、後述する。
保護層２５は、補強層２０上に形成されている。保護層２５は、熱硬化性の第２の樹脂とガラス繊維との複合材料であるガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）から成り、補強層２０よりも高い耐衝撃性を有する。本実施形態において、第２の樹脂として、上述の第１の樹脂と異なる性質（性能）となるように、硬化促進剤、及び、強化剤を第１の樹脂より量を減らした、もしくは添加しないエポキシ樹脂を用いている。第２の樹脂は、エポキシ樹脂に限定されず、不飽和ポリエステル樹脂等、他の熱硬化性樹脂を用いてもよい。第２の樹脂の性質（性能）については、後述する。
口金３０，４０は、ライナ１０の２つの開口端にそれぞれ取付けられている。口金３０は、高圧タンク１００の開口として機能すると共に、タンク本体に配管やバルブを取り付けるための取付部として機能する。また、口金３０，４０は、補強層２０および保護層２５を形成する際に、タンク本体をフィラメントワインディング装置へ取り付けるための取付部としても機能する。
補強層２０および保護層２５は、例えば、以下の方法により形成することができる。ライナ１０に口金３０，４０を取付けたタンク本体を用意する（ステップＳ１２）。タンク本体を、マンドレルとして用い、第１の樹脂を含浸させた炭素繊維を、タンク本体の周囲に、所定の巻き数、巻き付けた後、その上に、第２の樹脂を含浸させたガラス繊維を、所定の巻き数、巻き付ける（ステップＳ１４）。ステップＳ１４にて作製されたものを、以下、「被覆済タンク本体」と称する。その後、被覆済タンク本体を加熱炉に入れ、第１の樹脂の第１のゲル化温度（例えば、約８０〜１００℃）にて約２時間加熱する（ステップＳ１６）。その後、第２の樹脂のゲル化温度（例えば、約１２０〜１４０℃）に昇温し約２時間加熱する（ステップＳ１８）。これにより、エポキシ樹脂が硬化されて、補強層２０および保護層２５が形成される。
補強層２０および保護層２５の形成過程において、補強層２０および保護層２５の内部にはガスが存在する。これらのガスは、エポキシ樹脂自体に含まれている空気、または、繊維束の巻回時に巻き込んだ空気、または、エポキシ樹脂が硬化反応したことによって発生したガス、等が考えられる。これらのガスは、補強層２０および保護層２５の形成過程において液状のエポキシ樹脂を透過して外部に排出される。
図２は、第１の樹脂および第２の樹脂の温度−粘度特性を示す図である。図２では、粘度の軸を対数目盛とした片対数グラフを示す。第２の樹脂のゲル化温度である第２のゲル化温度Ｔ２は、第１の樹脂のゲル化温度である第１のゲル化温度Ｔ１より高い。第１のゲル化温度Ｔ１において、第２の樹脂の粘度η２は、第１の樹脂の粘度η１より低い。第１のゲル化温度Ｔ１および第２のゲル化温度Ｔ２は、第１のゲル化温度Ｔ１＜第２のゲル化温度Ｔ２であればよい。例えば、第１のゲル化温度は約８０〜１００℃、第２のゲル化温度Ｔ２は約１００〜１２０℃である。第１のゲル化温度Ｔ１と第２のゲル化温度Ｔ２との温度差ΔＴは、約１０〜３０℃であると、第１の樹脂および第２の樹脂の硬化過程において、第１の樹脂および第２の樹脂に内在するガスが外部に放出されやすいため、好ましい。第１のゲル化温度Ｔ１における第１の樹脂の粘度η１および第２の樹脂の粘度η２は、第２の樹脂の粘度η２＜第１の樹脂の粘度η１であればよい。例えば、第１のゲル化温度Ｔ１における第１の樹脂の粘度η１は約０．２〜０．３Ｐａｓ、第１のゲル化温度Ｔ１における第２の樹脂の粘度η１は約０．０８〜０．１Ｐａｓである。第１のゲル化温度Ｔ１における第１の樹脂の粘度η１と第２の樹脂の粘度η２との粘度差Δηは、約０．１〜０．３Ｐａｓであると、第１の樹脂および第２の樹脂の硬化過程において、第１の樹脂および第２の樹脂に内在するガスが外部に放出されやすいため、が好ましい。
本実施形態の高圧タンク１００では、上述のように液状の第１の樹脂が含浸された炭素繊維をライナ１０に巻き付け、その上に液状の第２の樹脂が含浸されたガラス繊維を巻き付けた後、加熱して第１の樹脂および第２の樹脂を硬化させる。ここで、第２の樹脂のゲル化温度Ｔ２は、第１の樹脂のゲル化温度Ｔ１より高いため、第２の樹脂の硬化は第１の樹脂よりも遅い。すなわち、第１の樹脂がゲル化してもまだ、第２の樹脂はゲル化していない。そのため、補強層２０の硬化過程において発生したガス等、補強層２０に内在するガスは、保護層２５の液状の第２の樹脂を介して、外部に放出されやすい。また、第１の樹脂のゲル化温度Ｔ１において、第２の樹脂の粘度η２は、第１の樹脂の粘度η１より低い。樹脂の粘度が低いほど、ガスを逃しやすいため、補強層２０に内在するガスを、保護層２５から外部に逃しやすい。図２に示すように、第１の樹脂および第２の樹脂の粘度は、それぞれのゲル化温度まで、温度の上昇に応じて粘度が低くなる。樹脂の粘度が低いほど、ガスが放出されやすく、樹脂がゲル化した後は、ガスが放出されにくい。そのため、第１のゲル化温度Ｔ１において、第２の樹脂の粘度η２が、第１の樹脂の粘度η１より低いと、第１の樹脂がゲル化するまでの間に、補強層２０に内在するガスが、表面に近い保護層２５から排出されやすい。
例えば、補強層２０と保護層２５とに同一の性質（ゲル化温度および粘度）のエポキシ樹脂を用いた場合には、補強層２０と保護層２５とが同時にゲル化するため、保護層２５より内側に配置されている補強層２０に内在するガスが排出されにくく、タンク表面に泡として残存する可能性がある。また、第１の樹脂のゲル化温度において、第２の樹脂の粘度が、第１の樹脂の粘度より高い場合には、補強層２０と保護層２５との間に補強層２０に内在するガスがたまるおそれがある。これに対し、本実施形態の高圧タンク１００では、保護層２５を形成する第２の樹脂と補強層２０を形成する第１の樹脂とは、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂であるものの、ゲル化温度および粘度を上記の通り違えることより消泡性を向上させることができる。その結果、タンク表面に泡が残存する場合と比較して、表面性状が向上される。これにより、タンクの車両への組付け性、補強層と保護層の間に配置されるラベルの視認性等の向上が期待できる。また、タンク表面に残存する泡を取り除くための処理が不要になり、高圧タンクの製造にかかる工数を低減することができる。
また、高圧タンク１００を用いて所定の耐圧試験を実施した後の円筒部１０２の中心軸方向に発生する引張ひずみを基準ひずみεｓとすると、第１の樹脂の破断ひずみ（引張破断ひずみ）ε１は、基準ひずみεｓより大きく、第２の樹脂の破断ひずみ（引張破断ひずみ）ε２は、基準ひずみεｓよりも小さい。ここで、所定の耐圧試験とは、高圧タンク１００の出荷前に必ず行われる試験であり、本実施形態では、常用圧力が７０ＭＰａであるタンクにおいて、タンク内圧を約１０５ＭＰａとする耐圧試験である。その際の基準ひずみεｓは、約０．３４％である。基準ひずみεｓは、これに限定されないが、例えば、０．３０〜０．４０％が好ましい。耐圧試験は本実施形態に限定されず、要求される所定の耐圧試験実施後の引張ひずみを基準ひずみεｓとすればよい。例えば、耐圧試験時のタンク内圧を、７０〜１４０ＭＰａの範囲で適宜設定してもよい。
第１の樹脂の破断ひずみε１、および第２の樹脂の破断ひずみε２は、以下の方法により計測される。各樹脂単体で、引張試験用の試験片を作製して引張試験を行い非接触型の伸び計により伸びを計測し、計測された伸びに基づいて引張ひずみを算出する。本実施形態において、非接触型の伸び計は、試験片の最弱部位の端にマジックでラインを引き、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ等のイメージセンサにて、ラインの間隔を測定する。引張速度は、０．２ｍｍ／ｍｉｎである。引張試験において試験片が破断した際の引張ひずみ、すなわち、引張試験中に試験片に加わる最大ひずみを、破断ひずみとする。
図３は、比較例の高圧タンクにおける白濁の生成を概念的に説明する説明図である。比較例の高圧タンクにおいて、補強層２０ｐはＣＦＲＰ製、保護層２５ｐはＧＦＲＰ製であり、それぞれ、同一の性状のエポキシ樹脂を含む。比較例の高圧タンクの補強層２０ｐおよび保護層２５ｐに用いられるエポキシ樹脂は、タンク強度を確保するため、破断ひずみが大きい。例えば、本実施形態の第１の樹脂と同一のエポキシ樹脂を用いることができる。図３では、補強層２０ｐおよび保護層２５ｐの一部を断面視して拡大して示している。
比較例の高圧タンク内に充填されたガス（例えば、水素）は、微量ではあるが、ライナ１０を透過し、補強層２０ｐも透過する場合がある。ここで、保護層２５ｐの破断ひずみが大きいため、図３の上段に示すように、透過ガスにより保護層２５ｐの表層が伸びる。保護層２５ｐの表層が伸びるため、透過ガスが排出されず、高圧タンクを使い続けるうちに、透過ガスが溜まり大きくなり、保護層２５ｐの表面が伸びた後破裂し、白濁が生じる可能性がある（図３下段）。
図４は、本実施形態の高圧タンク１００における白濁の抑制を概念的に示す説明図である。本実施形態の高圧タンク１００において、第１の樹脂の破断ひずみε１＞基準ひずみεｓ＞第２の樹脂の破断ひずみε２であるため、基準ひずみεｓを測定した所定の耐圧試験を行うと、保護層２５に亀裂が生じる。上述の通り、所定の耐圧試験は、高圧タンク１００の出荷前に必ず実施される試験であるため、高圧タンク１００が使用される際には、すでに保護層２５に亀裂が形成されている。そのため、高圧タンク１００の使用中に、充填されたガスがライナ１０および補強層２０を透過した場合には、保護層２５の亀裂を介して高圧タンク１００外に透過ガスを逃すことができる。その結果、保護層２５が透過ガスにより伸びた後破裂することにより生じる白濁を抑制することができる。なお、基準ひずみεｓ＜第１の樹脂の破断ひずみε１であるため、出荷前の耐圧試験において、補強層２０に亀裂は生じていない。すなわち、ライナ１０および補強層２０によりガスバリア性を確保しつつ、保護層２５に出荷前に強制的に微細な亀裂を生じさせることにより、高圧タンク１００表面の白濁を抑制することができる。そのため、白濁発生時の音の発生を抑制することができる。
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（１）高圧タンク１００内に収容される流体は、上記した圧縮水素に限定されず、圧縮窒素等、高圧の流体であればよい。
（２）補強層２０および保護層２５に含まれる繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ダイニーマ繊維、ザイロン繊維、ボロン繊維等、繊維強化樹脂を構成可能な種々の繊維を用いることができる。補強層２０は、耐圧性を備え、保護層２５は、補強層２０よりも耐衝撃性が高くなるように、繊維を選択するのが好ましい。補強層２０の繊維として、炭素繊維を用い、保護層２５の繊維として、ガラス繊維またはアラミド繊維を用いると、耐圧性の高い補強層２０と、補強層２０よりも耐衝撃性が高い保護層２５が形成されるため、好ましい。
補強層２０および保護層２５のいずれか一方を、繊維強化樹脂で形成し、他方を樹脂のみ（繊維強化でない）で形成してもよい。例えば、補強層２０を第１の樹脂とガラス繊維との複合材であるガラス繊維強化樹脂製とし、保護層２５を、第２の樹脂のみを用いて形成してもよい。また、補強層２０および保護層２５の両方を、樹脂のみ（繊維強化でない）で形成してもよい。その場合、補強層２０として所望の耐圧性を有する樹脂を選択し、保護層２５として補強層２０より高い所望の耐衝撃性を備える樹脂を選択するのが好ましい。補強層２０や保護層２５を樹脂のみで形成する場合には、スプレー塗布等の周知の方法により、樹脂を吹き付けた後、加熱することにより、補強層２０や保護層２５を形成することができる。例えば、上記実施形態において、保護層２５を、第２の樹脂のみで形成する場合には、第１の樹脂が含浸された炭素繊維がライナ１０に巻き付けられた後、スプレー塗布等の周知の方法により、第２の樹脂を吹き付けた後、加熱して、第１の樹脂および第２の樹脂を硬化させることにより、補強層２０および保護層２５を形成することができる。
（３）上記実施形態において、第１の樹脂および第２の樹脂として性質の異なる同種の樹脂（エポキシ樹脂）を用いたが、第１の樹脂と第２の樹脂とを、異なる種類の熱硬化性樹脂としてもよい。例えば、第１の樹脂を不飽和ポリエステル樹脂、第２の樹脂をエポキシ樹脂にしてもよい。また、この逆にしてもよい。このように異なる種類の樹脂を用いる場合も、第１のゲル化温度Ｔ１＜第２のゲル化温度Ｔ２、第１のゲル化温度Ｔ１において、第１の樹脂の粘度η１＞第２の樹脂の粘度η２とすることにより、タンク表面への泡の残存を抑制することができる。
（４）上記実施形態において、第１の樹脂の破断ひずみε１＞基準ひずみεｓ＞第２の樹脂の破断ひずみε２でなくてもよい。このようにしても、少なくとも、高圧タンク１００の表面の泡の残存が抑制され、表面性状が向上される。
（５）補強層２０および保護層２５の製造方法は、上記実施形態に限定されない。加熱温度、加熱時間は、使用する樹脂や、タンク形状等に応じて適宜変更可能である。また、３段階以上の階段状に昇温してもよいし、時間に対して線形に昇温させてもよい。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…ライナ
２０，２０ｐ…補強層
２５，２５ｐ…保護層
３０，４０…口金
１００…高圧タンク
Ｔ１…第１のゲル化温度
Ｔ２…第２のゲル化温度

Claims (4)

  1. 高圧タンクであって、
    ライナと、
    前記ライナ上に熱硬化性の第１の樹脂と繊維とを含んで形成されている補強層と、
    前記補強層上に熱硬化性の第２の樹脂を含んで形成されている保護層と、
    を備え、
    前記第２の樹脂のゲル化温度である第２のゲル化温度は、前記第１の樹脂のゲル化温度である第１のゲル化温度より高く、
    前記第１のゲル化温度において、前記第２の樹脂の粘度は、前記第１の樹脂の粘度より低い、高圧タンク。
  2. 請求項１に記載の高圧タンクにおいて、
    前記高圧タンクは、略円筒状を成す円筒部を備え、
    前記第１の樹脂の破断ひずみは、前記高圧タンクの所定の耐圧試験における前記高圧タンクの前記円筒部の中心軸方向に発生する引張ひずみである基準ひずみより大きく、前記第２の樹脂の破断ひずみは、前記基準ひずみより小さい、高圧タンク。
  3. 請求項１または請求項２に記載の高圧タンクにおいて、
    前記補強層の前記繊維は、炭素繊維である、高圧タンク。
  4. 請求項３に記載の高圧タンクにおいて、
    前記保護層は、ガラス繊維、またはアラミド繊維を含む、高圧タンク。
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